Установки для сжижения газов.

Центростремительный реактивный турбодетандер

Турбодетандеры - лопаточные машины непрерывного действия, в которых поток проходит через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и систему вращающихся лопаточных каналов ротора, где энергия потока преобразуется в механическую работу, в результате чего происходит охлаждение газа.

Они делятся по направлению движения потока на центростремительные, центробежные и осевые; по степени расширения газа в соплах - на активные и реактивные; по числу ступеней расширения - на одно- и многоступенчатые. Наиболее распространён реактивный одноступенчатый центростремительный детандер разработанный П. Л. Капицей. Торможение турбинных детандеров осуществляется электрогенератором, гидротормозом, нагнетателем, насосом.

Турбодетандеры применяются главным образом в установках с холодильным циклом низкого давления 0, 4-0, 8 МПа (4-8 кгс/см²) для объёмных (физических) расходов газа 40-4000 м³/ч.

Созданы турбодетандеры для холодильных циклов низкого, среднего и высокого давлений с объёмными расходами газа 1, 5-40 м³/ч. Эти машины характеризуются малыми размерами (диаметр рабочего колеса 10-40 мм) и высокой частотой вращения ротора (100000-500000 об/мин).

 

 

Производство.

Сегодня на сжиженном газе работает большое количество автотранспорта; сжиженный газ широко используется в промышленности, в быту.

Впечатляет спрос на сжиженный газ в мире: так, например, в 2001 году объемы мирового потребления сжиженного газа составили 200 млн. тонн, что

составляет 10% совокупного потребления газоподобных углеводородов.

 Основными потребителями сжиженного газа являются Южная и Северная Америка, Западная Европа, Азиатско-Тихоокеанский регион.

Что же такое сжиженный газ? Какие сферы его применения?

К сжиженным углеводородным газам относятся такие углеводороды, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии, а при относительно небольшом повышении давления (без снижения температуры) переходят в жидкое состояние. При снижении давления эти углеводородные жидкости испаряются и переходят в паровую фазу. Это позволяет перевозить и хранить сжиженные углеводороды с удобствами характерными для жидкостей и контролировать, регулировать и сжигать с удобствами для природных и других горючих газов.

Особенности углеводородов

Для безопасности при использовании сжиженных углеводородных газов, а также правильного обращения с этим топливом необходимо учитывать следующие основные особенности газообразных углеводородов, входящих в состав сжиженных газов.

1. При небольшом давлении они легко переходят в жидкое состояние, поэтому их хранят, транспортируют, распределяют и используют под давленим собственных паров. Давление этих паров является функцией температуры окружающей среды.

2. В газообразном состоянии они значительно тяжелее воздуха; их относительная плотность по отношении к воздуху находится в пределах 1, 5 – 2, 1, что должно предопределить многие приемы безопасной эксплуатации систем газоснабжения с помощью сжиженных газов. Плотность сжиженных газов по отношению к воде составляет 0, 51-0, 58 г/см³ т.е. они почти в 2 раза легче воды.

3. Вязкость очень мала, что облегчает транспортировку, но благоприятствует утечкам (чему в свою очередь, способствует повышенное давление паров).

4. Низки пределы воспламенения (взрываемости) в воздухе. Разница между нижним и верхним пределами взрываемости незначительна, следовательно при сжигании газов допускается применение высокого отношения воздух – сжиженный газ.

5. Диффузия газов в атмосферу осуществляется медленно, в особенности при отсутствии ветра. Только при большой скорости ветра смешение паров сжиженных газов и воздуха ускоряется.

6. При ускоренном отборе паров сжиженных газов из резервуаров температура жидкости снижается, уменьшается также давление паров в резервуаре.

7. Коэфициент обьемного расширения сжиженных газов очень велик. При повышении наружной температуры жидкость в резервуаре значительно расширяется. Поэтому при заполнении резервуаров сжиженными газами сохраняют свободное пространство (15 % вместимости резервуара). Категорически запрещается заполнять полностью резервуары. Система регулировки степени наполнения резервуаров должна быть такой, чтобы можно было контролировать степень их заполнения или определять наливную массу сжиженных газов.

8. При контакте с сжиженными газами во время их откачки или закачки в резервуары в результате ускоренной абсорбции тепла жидкости при ее испарении в открытом пространстве происходит резкое снижение температуры.

9. Возможно образование конденсата при снижении температуры до точки росы или при повышении давления.

Технологическая цепочка производства сжиженных газов начинается с добычи " сырой" нефти или " влажного" природного газа и заканчивается хранением жидких пропана и бутана, полностью свободных от легких газов, тяжелых нефтей и очищенных до последних следов сернистых соединений и воды.

Непосредственно на месте добычи " сырая" нефть стабилизируется для подготовки ее к дальнейшей транспортировке по трубопроводам или в танкерах к месту потребления.

    Степень стабилизации, эффективность которой зависит от условий на головке скважины (температура и давление), в свою очередь, определяет количество удаляемых легких газов. Эти газы иногда сжигаются, но в настоящее время все чаще используются как дополнительная продукция, играющая роль " премии" и называется " попутным природным газом".

На газовых месторождениях добыча богатого метаном природного газа нередко сопровождается выходом небольших количеств смеси тяжелых углеводородов: от этана до соединений компонентов дистиллята (" естественного бензина" ). Если они присутствуют в значительных количествах, то сжиженные нефтяные газы и дистиллят удаляют из природного газа во избежание технологических осложнений от конденсата при компримировании газа перед подачей его в трубопровод, а также для получения необходимых химических веществ или дополнительного топлива. Иногда сжиженные нефтяные газы, уловленные перед компримированием природного газа, дополнительно могут быть подвергнуты сепарации от охлажденного сжиженного природного газа. Только после этого их разрешается транспортировать к месту потребления или на регазификацию.

Полученные при фракционной разгонке сжиженные нефтяные газы подвергаются последующей конверсии, которая осуществляется прежде всего для увеличения выхода и повышения качества бензина. Она окончательно выделяет сжиженные нефтяные газы как побочный продукт.

Интересны технологии получения сжиженных нефтяных газов из природного газа, " сырой нефти", а также реформированных нефтепродуктов.

Хранение жидких газов

Чтобы сохранить воздух в жидком состоянии, надо воспре­пятствовать его теплообмену с окружающей средой. С этой целью жидкий воздух (и другие жидкие газы) помещают в особые сосуды, называемые сосудами Дьюара. Сосуд Дьюара устроен так же, как и обычный термос. Он имеет двойные стеклянные стенки, из пространства между которыми выкачан воздух (рис. 6.). Это уменьшает теплопроводность сосуда. Внутреннюю стенку делают блестящей (посеребрен­ной) для уменьшения нагревания излучением. У сосудов Дьюара узкое горлышко, при хранении в них сжиженных газов их оставляют открытыми, чтобы содержащийся в сосуде газ имел возможность постепенно испаряться. Благодаря затрате теплоты на испаре­ние сжиженный газ остается все время холодным. В хорошем сосуде Дьюара жидкий воздух сохраняется в течение нескольких недель.

 

 

За последние 15–20 лет в большинстве промышленно развитых стран созданы и внедрены достаточно совершенные установки для преобразования энергии органического топлива в электрическую энергию и теплоту. Дальнейшее повышение технико-экономических показателей таких установок требует поиска новых, нетрадиционных методов, применение которых позволило бы существенно повысить технико-экономические показатели работы энергетического оборудования и одновременно улучшить его экологические показатели. Одной из возможностей решения этой проблемы на промышленных предприятиях, использующих в качестве топлива природный газ, является применение детандергенераторных агрегатов (ДГА)

Детандергенераторный агрегат представляет собой устройство, в котором энергия потока транспортируемого природного газа преобразуется сначала в механическую энергию в детандере, а затем в электрическую энергию в генераторе.

Существует также принципиальная возможность получения одновременно с электроэнергией теплоты различных температурных уровней (высокотемпературной для обогрева и низкотемпературной для создания холодильных установок и систем кондиционирования), образующейся при работе ДГА. Основными составными частями ДГА являются детандер, электрический генератор, теплообменники подогрева газа, регулирующая и запорная арматура, система КИП и автоматики.

 

Детандер-генераторные агрегаты исполь зуются в системе газоснабжения на станциях технологического понижения давления газа-газораспределительных станциях (ГРС) и газорегуляторных пунктах (ГРП)]. Обычно понижение давления газа на ГРС и ГРП осу- ществляется за счет дросселирования газового потока. Анализ работы находящихся в эксплуатации детандергенераторных агрегатов и технических решений, предложенных для усовершенствования существующих установок, показал, что ДГА, хотя и позволяют, используя технологические перепады давления транспортируемого природного газа, получать электроэнергию со значительно более высокой тепловой экономичностью, чем традиционные паро и газотурбинные установки, но обеспечение их работы требует сжигания топлива. Это приводит хотя и к меньшему, но все-таки загрязнению окружающего воздушного бассейна.

 В 1999 г. был предложен и запатентован способ работы детандерной установки, позволяющий обеспечить работу ДГА без сжигания топлива, а также устройство для осуществления предложенного способа [1]. Его суть заключена в том, что подогрев газа перед детандером производится с помощью теплонасосной установки (ТНУ), использующей часть энергии, вырабатываемой электрогенератором ДГА, для обеспечения своей работы. При таком техническом решении для обеспечения нормальной работы ДГА используется лишь низкопотенциальная энергия и не требуется сжигания топлива. В качестве источника низкопотенциальной энергии при этом могут быть использованы вторичные энергетические ресурсы и/или теплота окружающей среды. Также бестопливной является установка для подогрева газа перед детандером, в которой ис- пользуется сочетание воздушного компрессора и воздушной турбины (т. н. воздушный тепловой насос). На это техническое решение также был получен патент [2]. В обеих установках для обеспечения работы теплового и воздушного теплового насосов используется электроэнергия, выработанная генератором ДГА, что уменьшает полезную электрическую мощность установок, которая может быть передана потребителю. Необходимо отметить, что устройство детандер-генераторного агрегата и принцип его работы позволяют создать бестопливную установку за счет выбора соответствующего режима работы при подогреве газа только после детандера. Однако при этом газ на выходе из детандера имел бы недопустимо низкие по условиям эксплуатации температуры (–80…–100 °С), что заставляло бы дросселировать газ перед детандером, теряя значительную часть потен- циала давления. Поэтому установки такого типа, скорее всего, не найдут широкого применения и в данной статье рассматриваться не будут. Здесь будут рассмотрены установки на базе ДГА, в которых подогрев газа производится перед детандером за счет теплоты, имеющей настолько низкую температуру, что она не может непосредственно использоваться для подогрева газа до необходимой по условиям эксплуатации (+80–100 °С). Потенциал такой теплоты должен быть повышен с помощью трансформирующих установок. На сегодняшний день разработаны два варианта бестопливных установок на базе детандергенераторных агрегатов. В состав первой входят ДГА и традиционный тепловой насос (ТН), в котором в качестве рабочего тела применяются хладагенты (вещества с низкой температурой кипения). Во второй установке применяется т. н. воздушный тепловой насос (ВТН), в котором в качестве рабочего тела ис- пользуется атмосферный воздух. Каждый из вариантов установки имеет как преимущества, так и недостатки. Однако оба варианта установок являются по своей сути бестопливными, т. е. для обеспечения их работы не требуется сжигания топлива. В том случае, когда станет рассматриваться установка, в которой рабочим телом теплового насоса является хладагент, будет употребляться термин «тепловой насос». Для теплового насоса, в котором в качестве рабочего тела используется воздух, будет применяться термин «воздушный тепловой насос.

 

 

Добыча природного газа происходит, как правило, в необжитых районах, без развитой сети электрических коммуникаций, дорог и т.п. Объекты добычи, промысловой подготовки газа и транспортировка газа требует создания новых сетей электроснабжения в районе разработки месторождения, а вдоль магистральных газопроводов для электроснабжения, в том числе, катодных станций электрозащиты от коррозии. Как правило, это наиболее дорогостоящая и малонадежная составляющая проекта освоения месторождения, учитывая, что мачты электропередач устанавливаются в условиях пустынь.

 

На фоне развития добывающих предприятий, постоянного роста добычи углеводородов происходит, также, постоянное расширение географии газификации регионов, что предусматривает развитие сетей газораспределения со строительством газораспределительных станций (ГРС) и газорегулирующих пунктов (ГРП), количество которых насчитывается десятками тысяч.

 

Первая точка ГРС (ГРП)

 

Рассмотрим еще одну точку в цепи газификации – это объекты газораспределения ГРС и ГРП. Через ГРС газ отводится из труб магистрального трубопровода при давлении 7, 5 МПа потребителю - городу, поселку или крупному промышленному объекту с понижением давления до 1, 2; 0, 6; 0, 3 МПа.

 

Снижение давления происходит на клапанах, а энергия газа утрачивается безвозвратно, при этом газ охлаждается приблизительно на 0, 5 градуса С0 на каждые 0, 1 МПа снижения давления. В газовых машинах используют эффект резкого снижения температуры при расширении сжатого газа с отдачей работы. Машина, конструкция которой основана на этом принципе, называется детандером. Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1, 2 до 0, 3 МПа температура его снижается на 50–60°C (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (от 1, 8 до 0, 3 МПа) разность температур возрастает до 70–80 °C. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20°C, температура потока после расширения составит -30 – -40°C в первом и -50 – -60°C во втором случаях. Исходя из этого представляется целесообразным использование турбодетандерных агрегатов (ДГА) на базе газорасширительных турбин при строительстве предприятий по сжижению пропан – бутановой фракции природного и нефтяного газов. Получение низких температур для сжижения газов осуществляется расширением сжатых газов с совершением внешней работы в сочетании с противоточным теплообменом. В случае использования специальных турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин вышеупомянутую теряемую энергию газа можно использовать для выработки электроэнергии.

 

В общем, в мире реализация идей использования расширительных машин для утилизации перепада давления природного газа осуществляется с помощью следующих типов ДГА.

 

Детандер с гидротормозом.

 

Находит применение там, где необходима небольшая (до 100 кВт) холодопроизводительность, а утилизация мощности, вырабатываемой детандером (в электроэнергию или компрессию газа) экономически не целесообразна.

 

Детандер-компрессор.

 

Имеет гораздо более широкое применение. После сепарации тяжелых углеводородов в сепарационном барабане, газ сжимается в центробежном компрессоре. Агрегат имеет единый вал с одним колесом детандера и одним компрессорным колесом, установленных оппозиционно на валу. Этот тип турбодетандера применяют в технологических циклах для понижения температуры газа (получения холода) и для повышения давления технологического газа вследствие работы ступени компрессора.

 

Детандер-генератор.

 

Используется для выработки электроэнергии (с получением холода) в технологических установках и на газораспределительных станциях при регенерации (утилизации) энергии сжатого газа.

 

Рисунок 1

На ГРС технически возможно и целесообразно получать электрическую энергию с возвратом ее в существующую электрическую сеть используя специальные турбодетандерные агрегаты(ДГА) на базе газо-расширительных турбин. Поток газа по байпасной линии предлагается направить непосредственно на рабочие органы привода электрического генератора. Роль автоматического клапана при этом может выполнить электроника, следя за давлением газа с большой точностью " после себя" т.е. после расширения на рабочих органах привода, в выходной трубе потребителю. Учитывая объемы газа проходившего через ГРС, а это порядка от 10тыс м³/час до 200тыс м³/час, нетрудно представить масштабы получения дополнительной электроэнергии. Однако при охлаждении газа, которое сопутствует расширению, возникает опасность возникновения гидратов, поэтому в данном случае необходимо подогревать газ перед входом в расширительную машину.

 

Агрегаты устанавливаются преимущественно на байпасных линиях так, чтобы не быть помехой основному технологическому процессу. Где необходимо, перед агрегатом устанавливается спецфильтр, подогреватель газа, редукционный клапан (см. рис. 1).

 

Новые предложения

 

Научно-производственным предприятием " Газэлектроприбор" заявлено, что " конечной целью является создание изделия, объединяющего функции регулятора давления, источника энергии и счетчика расхода газа, поскольку для этого всего достаточно одного инструмента-турбины". Остается прибавить, что предлагается наряду с этим еще и подключить к этому электронному инструменту управление одоризацией газа на ГРС в зависимости от показателей органолептических датчиков, призванных удерживать одоризацию газа в установленных пределах.

 

В целях дальнейшего развития установок, особенно крупных, упрощения конструкции предлагается ввести гидропередачу между расширительной машиной и генератором. Это позволит разместить генератор отдельно от расширительной машины, вывести его из взрывоопасной зоны. Также обороты генератора теперь можно легко стабилизировать и регулировать вне зависимости от изменений оборотов расширительной машины. Это позволяет подключать серийные генераторы электрического тока, например сварочные, и имеет еще ряд других преимуществ.

 

Как правило, пункты получения энергии при утилизации избыточной энергии давления газа находятся вдали от возможных потребителей. Проще всего аккумулировать полученную энергию с помощью современных механических аккумуляторов перевозить и реализовать потребителю в том виде в котором это необходимо. При условиях веерного отключения электроэнергии это очень хороший способ для локальных потребителей, например монтажных организаций, или малых предприятий. Это очень упрощает весь процесс преобразования энергии, поддержания ее качества, соблюдение взрывобезопасности и т.д. Речь идет о супермаховиках Гулиа. Современные супермаховики, намотанные из углеродного волокна, показывают удельную емкость порядка 80-130 ватт-часов на килограмм, что, конечно, несколько уступает показателям лучших  литий-ионных аккумуляторов. Зато накопители на маховиках имеют свои достоинства. Например, - умеренную цену, превосходную долговечность и полную безопасность для экологии.

 

Рисунок 4

В качестве справки: американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, сделала большой шаг в этом направлении, создав целую линейку тяжелых стационарных супермаховиков, предназначенных именно для включения в промышленные энергосистемы. Самые свежие разработки компании: маховичные накопители Smart Energy 6 и Smart Energy 25, с объемом накапливаемой энергии в 6 и 25 киловатт-часов соответственно, и с мощностью (которая может ими поглощаться или вырабатываться) в 2 и 200 киловатт (это максимум, номинал у этой модели - 100 киловатт). Каждая система представляет собой контейнер с 7 накопителями Smart Energy 6, суммарной пиковой мощностью в 100 киловатт (в течение 15 минут) и объемом накапливаемой энергии в 42 киловатт-часа и это не предел. " Зарядка" супермаховиков занимает несколько минут. Beacon Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, составляет 2%, что заметно лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах.

 

Компания " Active Power" выпускает накопители CleanSource, в которых маховики объединены с мотором/генератором в один агрегат. " Active Power" подписала OEM соглашение с GE в декабре 2005 года на внедрение маховиков в источники бесперебойного питания, выпускаемые GE. Накопители энергии на базе маховиков обладают рядом существенных преимуществ перед химическими аккумуляторами: они более компактны, могут работать в широком диапазоне температур, чрезвычайно надежны и не требуют ремонта в течение 15…20-летнего срока эксплуатации, имеют более высокий КПД.

 

Представьте себе, что накопители можно зарядить на газовой скважине, снимая механическую энергию, не заботясь о взрывобезопасности и доставить в необходимое место, где подключить электрическую нагрузку не заботясь о качестве электрического тока (все заранее запрограммировано), произвести полезную работу и это все на даровой энергии.

 

В качестве устройства ввода турбоагрегата непосредственно в трубопровод предлагается применять специальные краны со шлюзовым вводом. Кран шаровой работает штатно, когда требуется установить турбоагрегат, он перекрывается, в полость вводится турбоагрегат, затем кран открывается, турбоагрегат в потоке газа начинает работать. Кран шаровой со шлюзовым вводом до диаметра прохода 700 мм выпускается серийно фирмой ITAG, его немного необходимо доработать или сделать спецзаказ.

 

Аналогичные устройства, так называемые турбодетандерные агрегаты (ДГА)

 

Аналогичные устройства, называемые турбодетандерами разработаны ранее в России и в Украине, выпускаются блоками заводской готовности и имеют в качестве привода высокоскоростную турбину, вал которой приводит во вращение генератор электрического тока с оборотами в несколько десятков тысяч. Вполне понятно с какими трудностями сталкиваются конструкторы и эксплуатационники имея высокоскоростную турбину, работающую в среде природного газа.

 

Мировая энергетика уже более 20 лет использует энергию сжатого природного газа. В Италии действует более 300 ДГА различной единичной мощности. Растет интерес к внедрению этой технологии и в России.

 

В настоящее время турбодетандеры оцениваются специалистами, как один из перспективных видов турбинной продукции с большим рынком сбыта. Причем, рынком наиболее востребован мощностной ряд 1, 5-6, 0 МВт. Важность этого направления для современного этапа развития энергетики и энергомашиностроения подчеркнул прошедший в феврале 2004 г. в Москве международный салон, где работы по этому направлению, проводимые в МЭИ (ТУ) и ОАО " КТЗ", были отмечены медалями и дипломами.

 

Проекты использования избыточной энергии давления газа при его редуцировании в системах газораспределения и потребления направлены на производство электрической энергии в Узбекистане, к сожалению, не планируются несмотря на то, что ранее, в 90-х годах получили реализацию проекты малых ДГА для автомизации ГРС " Ташкент-1" и " Ташкент-2" и дргих ГРС, выпускаемых по проектам ДАО " ЦКБН" (г. Подольск). Вероятно не хватает пока примеров успешного и эффективного практического использования вышеуказанной технологии производства электрической энергии.

 

Имеется несколько мелких установок и относительно мощная установка (10 МВт) при московской ТЭЦ-21 производства завода " Криокор". О готовности выпускать детандеры-генераторы заявили Калужский турбинный завод, Уральский турбомоторный завод, Невский завод, Рыбинские моторы и др.

 

Ниже приведены предприятия, которые на сегодняшний день освоили выпуск установок и предлагают для использования с выработкой полезной мощности для получения холода в системах низкотемпературной сепарации и адсорбции, по производству сжиженного пропан-бутана и природного газа, а также выработки электроэнергии.

 

Закрытое акционерное общество " Невский завод" предлагает установки, которые предназначены для утилизации потенциальной энергии газа путем его расширения в турбодетандере с выработкой полезной мощности и выработки электроэнергии за счет использования давления природного газа.

 

ОАО " Калужский турбинный завод". Мощность газорасширительного энергокомплекса, его комплектность определяется на этапе технико-коммерческого предложения, и уточняются проектом привязки к конкретному ГРП (ГРС). Завод разработал полный типоразмерный ряд детандер генераторных агрегатов мощностью 1.5, 2.5, 4.0, 6.0, 12.0 МВт с газо-расширительными турбинами, разработанными на базе серийных противодавленческих турбин. Растущий интерес рынка к ДГА можно проиллюстрировать следующим примером. За последние 4 года по запросам потенциальных заказчиков конструкторы ОАО " КТЗ" выполнили более 180 проработок по оценке возможностей ДГ-электростанций и вариантов применения турбодетандеров на различных объектах России, стран СНГ и дальнего зарубежья.

 

В частности, детандер ЭТДА-1500 создан в результате совместной работы ОАО " КТЗ" - ООО " ТурбоДЭн", изготовлен и отгружен заказчику. Ввод в действие осуществляет ООО " ТурбоДЭн". В его конструкции реализованы основополагающие технические решения ООО " ТурбоДЭн", апробированные в течение 10 лет в установке УТДУ-2500 (" Союзтурбогаз" ), и современная элементно-агрегатная база турбин ОАО " КТЗ".

 

При создании ЭТДА-1500 учтены особые требования к ДГА, как агрегатам, работающим в системе газораспределения, опыт создания детандер-генераторов других фирм, а также конструкции и опыт эксплуатации газонагнетателей (агрегатов, близких по условиям эксплуатации к ДГА).

 

В этой связи, применение описанной технологии представляет существенный интерес для ГРП (ГРС) крупных потребителей газа, в частности на ГРП тепловых электростанций.

 

Программа РАО " ЕЭС России" по техническому перевооружению и модернизации энергообъектов предусматривает оснащение ДГА электростанций федерального уровня (Сургутская ГРЭС-2, Рязанская ГРЭС и др.) и электростанций АО-энерго.

 

Рисунок 5

Компания ENCE GmbH (Швейцария) предлагает своим заказчикам под заказ, расчет, подбор, комплектацию и поставку " под ключ" широкого спектра турбодетандеров.

 

Рабочие параметры предлагаемых турбодетандеров:

· мощность: от 100 до 50000 кВт;

· давление на входе: до 150 атм;

· производительность: до 60 млн.м³/сут;

· температура на входе: от -196°С;

· изоэнтропийный КПД детандера: до 90% (в зависимости от сочетания параметров).

 

Основные направления применения:

· Рынок промышленного газа

· Танкеры для перевозки сжиженных природных газов

· Морские платформы

· Газоперерабатывающие заводы

· Заводы по производству сжиженного природного газа

· Заводы по производству олефинов

· Выработка электроэнергии для станций снижения давления и газогенераторных станций

 

ЗАО " КРИОКОР-Энергия" (ОАО " Криокор".) Разработанные " КРИОКОР" инновационные технологии создания электростанций малой мощности от 1 до 30 МВт - это эффективное решение проблемы энергосбережения. Специалистами " Криокор" разработан, изготовлен и в 1995 году введен в промышленную эксплуатацию на ТЭЦ-21 (Москва) энергетический комплекс, состоящий из двух детандер-генераторных агрегатов ДГА-5000 суммарной установленной мощностью 10000 кВт. На 2008 год выработка электроэнергии комплексом составила более 400 млн. кВт•ч.В 2000 году введен в эксплуатацию энергетический комплекс на базе ДГА-5000 на Лукомльской ГРЭС в Республике Беларусь. В 2005 году введен в эксплуатацию энергоком-плекс на базе двух ДГА-5000 на Рязанской ГРЭС. В 2007 году введен в эксплуатацию энергетический комплекс на базе двух ДГА-5000 на ТЭЦ-23 (Москва).

 

НПО " Гелиймаш" выпускает турбодетандерные агрегаты для использования в установках по комплексной переработке природного газа. В качестве тормозной ступени используется центробежный компрессор, выполненный на одном валу с детандером. Ротор турбин вращается в гидростатодинамических масляных подшипниках или в подшипниках с магнитным подвесом.

 

НПО " Гелиймаш" разрабатывает и реализует программу внедрения энергосберегающих технологий, связывая воедино детандер и электрогенератор в одном агрегате. Мощность подобных устройств может колебаться от нескольких сотен кВт до 1-го МВт.

 

Турбодетандер-генераторы с успехом устанавливаются на газораспределительных станциях, в котельных и других объектах, где требуется только понижение давления газа. Перепад давления, в зависимости от расхода, может составлять от нескольких атмосфер до нескольких десятков атмосфер.

 

Устройства оснащены системой управления, позволяющей работать в полностью автоматическом режиме. Открытое акционерное общество " Турбогаз", ОАО " Турбогаз", ( ранее ВНПО " Союзтурбогаз", г. Харьков). Одной из основной деятельностью ОАО " Турбогаз" является создание и внедрение утилизационных детандерных энергетических установок для преобразования энергии избыточного давления природного газа в электрическую энергию с установленной мощностью от 8 кВт до 8 000 кВт.

 

Утилизационная турбодетандерная установка мощностью 2500 кВт (УТДУ-2500), установлена на УМГ " Харьковтрансгаз" ДК " Укртрансгаз" НАК " Нефтегаз Украины": ГРС-7 Днепропетровского ЛПУ МГ была разработана и поставлена ОАО " Турбогаз" в 1991 г. ОАО " Турбогаз" на основании договора № 234/03 от 28.02.2003г. с НАК " Нефтегаз Украины" провел работы по исследованию всех газораспределительных станций Украины и созданию технико-экономического обоснования внедрения турбодетандерных электростанций в газотранспортной системе Украины.

 

На ГС " Солоха" ГПУ " Полтавагаздобыча" внедрена уникальная детандерная энергетическая установка мощностью 2500 кВт, предназначенная для получения холода в системе низкотемпературной адсорбции с одновременный выработкой электроэнергии.В настоящее время ОАО " Турбогаз" имеет конструкторскую документацию собственной разработки на 18 низкотемпературных турбодетандерных агрегатов и на 7 энергетических турбодетандерных установок.

 

Предлагаются установки научно-производственным предприятием " Газэлектроприбор" (НПП " Газэлектроприбор" ), рассчитаные на небольшую мощность от 1 кВт до 30 кВт при использовании перепада давления газа на ГРС и ГРП. Разработаны и активно внедряются автономные источники электроэнергии и тепла на основе осевой активной турбины, помещенной в газовый поток. Установки, предлагаемые НПП " Газэлектроприбор", отличаются простотой конструкции и достаточной надежностью.

 

Кроме того, еще в советское время была разработана технология получения сжиженного природного газа (СПГ) на ГРС (при этом сжижается не весь природный газ, проходящий через ГРС, а только небольшая его доля; для сжижения фактически используется энергия расширения сжатого газа, поступающего на ГРС из магистрального газопровода). В настоящее время продвижением этой технологии занимается ЗАО " Сигма-газ" (г. Санкт-Петербург, контролируется ОАО " Газпром" ). Упомянутая технология позволяет газифицировать объекты, расположенные в пределах нескольких десятков километров от ГРС без строительства распределительного.

 

Необходимо отметить, что с технологической точки зрения на сегодняшний день в России имеются все предпосылки для создания оборудования для производства и использования сжиженного природного газа (СПГ). Имеются разработчики и производители турбодетандерно-компрессорных агрегатов (" Турбоком-М" и ОАО " Гелиймаш" ), высокоэффективных теплообменников (ОАО " Криомаш" ), средств доставки СПГ автотранспортом и в железнодорожных цистернах (" Уралкриомаш", г. Нижний Тагил). Газомотокомпрессоры выпускаются ОАО " РУМО" (г. Нижний Новгород). Но для проектирования и производства оборудования нужен организатор работ и координатор инженерных разработок, производства оборудования и его монтажа. газопровода (СПГ доставляется на специально оборудованном автотранспорте) и может найти применение для газификации в регионах с малой плотностью населения, через которые проходят магистральные газопроводы (сельская местность, Сибирь и Дальний Восток). ЗАО " Сигма-газ" уже осуществило газификацию нескольких объектов в Ленинградской области.

 

Выводы

 

Как мы видим, в России подготовлена база для мощного разворачивания повсеместной утилизации энергии сжатого природного газа на установках мощностью от 1 кВт до 30 МВт. Для воплощения идеи задействованы передовые предприятия различных отраслей. Есть положительные примеры использования действующих технологий. Однако недостаточно широко освещается эта сторона энергетики, нет нормативной базы разработки и применения установок. Нет серийных установок, хотя как показывают проведенные целевые работы, пунктов для эффективного применения установок выявлено очень много и это только начало. У автора статьи имеются запросы от монтажных организаций, по решению проблемы электроснабжения в случае отключения электроэнергии или там, где ее нет совсем. Очевидно, решать проблему с помощью традиционных дизельных электростанций экономически нецелесообразно. А рядом у нас океан подземной энергии! Мы обязаны рассказать, показать, выполнить необходимую проектную документацию, которая позволит понять, что на сегодняшний день есть все предпосылки, включая экономические, оперативно решить любые задачи связанные с утилизацией энергии сжатого природного газа.

 

Установки для сжижения газов.

Сжижение газов - переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Оно достигается охлаждением их ниже критической температуры (Т_к) и последующей конденсацией в результате отвода теплоты парообразования (конденсации).

Охлаждение газа ниже Т_К необходимо для достижения области температур, при которых газ может сконденсироваться в жидкость (при Т > Т_К жидкость существовать не может).

Впервые газ (аммиак) был сжижен в 1792 (голландский физик М. ван Марум).

 Хлор был получен в жидком состоянии в 1823 (М.Фарадей), кислород — в 1877 (швейцарский учёный Р. Пикте и французский учёный Л. П. Кальете), азот и окись углерода — в 1883 (З. Ф. Вроблевский и К.Ольшевский) водород — в 1898 (Дж. Дьюар), гелий — в 1908 (Х. Камерлинг-Оннес).

Идеальный процесс сжижения газов изображен на Рис.2

Изобара 1—2 соответствует охлаждению газа до начала конденсации,

изотерма 2—0 — конденсации газа.

Площадь ниже 1—2—0 эквивалентна количеству теплоты, которое необходимо отвести от газа при его сжижении, а площадь внутри контура 1—2—0—3

(1—3 — изотермическое сжатие газа, 3—0 — адиабатическое его расширение) характеризует термодинамически минимальную работу L_min, необходимую для сжижения газа.

 

L_min = T₀(S_Г — S_Ж) — (J_Г - J_Ж),

 

где T₀ — температура окружающей среды; S_Г, S_Ж — энтропии газа и жидкости; J_Г, J_Ж — теплосодержания (энтальпии) газа и жидкости.

Значения L_min и действительно затрачиваемой работы L_Д для сжижения ряда газов даны в таблице.

Промышленное сжижение газа с критической температурой Т_К выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с помощью компрессора, где газ сжимается, и последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой или холодильным рассолом.

Сжижения газа с Т_К, которая значительно ниже температуры окружающей среды, производится методами глубокого охлаждения. Наиболее часто для сжижения газа с низкими Т_К применяются холодильные циклы, основанные на дросселировании сжатого газа (использование эффекта Джоуля — Томсона), на расширении сжатого газа с производством внешней работы в детандере, на расширении газа из постоянного объёма без совершения внешней работы (метод теплового насоса). В лабораторной практике иногда используется каскадный метод охлаждения (сжижения).

 

Графическое изображение и схема дроссельного цикла сжижения газа дана на рис. 3.

Рис.3

После сжатия в компрессоре (1—2) газ последовательно охлаждается в теплообменниках (2—3—4) и затем расширяется (дросселируется) в вентиле (4—5). При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжижившийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа. Для сжижения газа по циклу с дросселированием необходимо, чтобы температура сжатого газа перед входом в основной теплообменник T3 была ниже температуры инверсионной точки. Для этого и служит теплообменник с посторонним холодильным агентом T2. Если температура инверсионной точки газа лежит выше комнатной (азот, аргон, кислород), то схема принципиально работоспособна и без теплообменников T1 и T2. Применение посторонних хладагентов в этих случаях имеет целью повышение выхода жидкости. Если же температура инверсионной точки газа ниже комнатной, то теплообменник с посторонним хладагентом обязателен. Например, при сжижении водорода методом дросселирования в качестве постороннего хладагента используется жидкий азот, при сжижении гелия — жидкий водород.

 

Для сжижения газа в промышленных масштабах чаще всего применяются циклы с детандерами ( рис. 4 ), т. к. расширение газов с производством внешней работы — наиболее эффективный метод охлаждения.

Рис.4

 

В самом детандере жидкость обычно не получают, ибо технически проще проводить само сжижение в дополнительной дроссельной ступени. После сжатия в компрессоре (1—2) и предварительного охлаждения в теплообменнике (2—3) поток сжатого газа делится на 2 части: часть М отводится в детандер, где, расширяясь, производит внешнюю работу и охлаждается (3—7). Охлажденный газ подаётся в теплообменник, где понижает температуру оставшейся части сжатого газа 1 — М, которая затем дросселируется и сжижается. Теоретически расширение в детандере должно осуществляться при постоянной энтропии (3—6). Однако из-за потерь расширение протекает по линии 3—7. Для увеличения термодинамической эффективности процесса сжижения газа иногда применяют несколько детандеров, работающих на различных температурных уровнях.

 

Циклы с тепловыми насосами обычно используются (наряду с детандерными и дроссельными циклами) при сжижения газа с помощью холодильно-газовых машин, которые позволяют получать температуры до 12 К, что достаточно для сжижения всех газов, кроме гелия (см. табл.). Для сжижения гелия к машине пристраивается дополнительная дроссельная ступень.

Подвергаемые сжижению газы должны очищаться от паров воды, масла и др. примесей (например, воздух — от углекислоты, водород — от воздуха), которые при охлаждении могут затвердеть и закупорить теплообменную аппаратуру. Поэтому узел очистки газа от посторонних примесей — необходимая часть установок сжижения газа.

Значения температуры кипения Т_кип (при 760 мм. рт. ст.), критической температуры Т_К, минимальной L_min и действительной L_Д работ сжижения некоторых газов:

 

Газ	Ткип, К	ТК, К	Lmin, квт•ч/кг	Lд, квт•ч/кг
Азот Аргон Водород Воздух Гелий Кислород Метан Неон Пропан Этилен	77, 4 87, 3 20, 4 78, 8 4, 2 90, 2 111, 7 27, 1 231, 1 169, 4	126, 2 150, 7 33, 0 132, 5 5, 3 154, 2 191, 1 44, 5 370, 0 282, 6	0, 220 0, 134 3, 31 0, 205 1, 93 0, 177 0, 307 0, 37 0, 04 0, 119	1, 2—1, 5 0, 8—0, 95 15—40 1, 25—1, 5 15—25 1, 2—1, 4 0, 75—1, 2 3—4 ~ 0, 08 ~ 0, 3

 

Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк.

Детандер (от франц. dé tendre - ослаблять), машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Детандер относится к классу расширительных машин, но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в детандере - наиболее эффективный способ его охлаждения. Детандер используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения, в криогенных рефрижераторах, в установках, имитирующих высотные и космические условия, в некоторых системах кондиционирования воздуха и т.д.

Наиболее распространены поршневые детандеры. и турбодетандеры:

Поршневой детандер

 

Поршневые детандеры - машины объёмного периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Они выполняются вертикальными и горизонтальными, одно- и многорядными. Торможение поршневых детандеров осуществляется электрогенератором и реже компрессором.

Применяются в основном в установках с холодильными циклами высокого 15-20 Мн /м² (150-200 кгс/см²) и среднего 2-8 Мн /м² (20-80 кгс/см²) давлений для объёмных расходов газа при температуре и давлении на входе в машину (физических расходов) 0, 2-20 м³/ч.

 

 

12345Следующая ⇒

Поделиться: